正断层错动作用下矿山法隧道受力变形机理的模型试验研究

2024-01-18武哲书孙文昊陈峻博王天强王琦陈立保

铁道标准设计 2024年1期

武哲书，孙文昊，陈峻博，王天强，王琦，陈立保

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063; 2.水下隧道技术国家地方联合工程研究中心,武汉 430063; 3.西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

引言

我国地理地质条件复杂,区域板块构造活跃。且随着交通强国战略的提出,提高交通效率是战略中的重要内容,公路、铁路直线化趋势将不可避免。而作为交通基础设施的节点工程——隧道将不可避免地穿越各类活动断裂带。活动断层错动作为一种具有断裂构造特征的区域性地质灾害[1-3],上下盘相对运动,产生极为复杂的空间变形和应力特征。隧道在穿越活动断裂带时,由于断层错动及破碎带的影响,会出现严重的非均匀沉降,导致隧道出现开裂、侵限,甚至发生垮塌[4-5]。

近年来,国内外学者采用理论分析、数值模拟和模型试验等方法研究了穿越活动断裂带隧道的力学响应和变形特征。刘学增等[6-7]采用自研的断层错动试验装置研究了隧道在穿越不同断层倾角时的力学特征。NOORADDIN等[8]采用数值模拟研究矩形大断面隧道穿越活动断层时的应力响应。JORGEN等[9]通过数值模拟和模型试验,根据断层位移和失效应变确定隧道的结构设计准则。陈海亮等[10]基于现场实测数据和数值模拟,研究了隧道穿越不同宽度和倾角断层时的变形及破坏特征。孙飞等[11]通过模型试验对乌鲁木齐地铁1号线穿越九家湾断层段错动下的变形和破坏开展研究。徐同启等[12]采用数值模拟和模型试验相结合的方法,以敦格铁路阔克萨隧道禅悦活动断层为背景,对逆断层错动下隧道受力变形情况进行研究。KARAMITROS[13]通过理论分析,预测了埋地管道受断层错动作用下的应力分布特征。RUSSO[14]以土耳其Bolu隧道为例,从几何变形和荷载分布角度提出了铰接式设计。梁文灏、李国良等[15]针对乌鞘岭隧道穿越活动断层时采用了预留百年位移量的扩大断面设计。王道远等[16-17]通过模型试验,研究了逆断层错动作用下隧道纵向应变与围岩压力变化规律。

总体来看,关于断层错动对隧道影响的研究已取得较多成果,对衬砌的抗错防护提供了非常重要的指导意义。但是现有模型试验受制于设备加载能力和试验代价,往往采用较小的相似比,对于断层错动对隧道的影响范围较大这类试验来说,小比尺试验结果通常失真。且目前对于节段间连接形式(刚接、铰接),不同节段宽度的矿山法隧道在断层错动作用下受力及变形规律研究较少。以青岛胶州湾第二海底隧道为工程背景,对矿山法隧道穿越沧口断裂开展模型试验研究,分析不同节段连接形式和节段宽度对隧道在正断层错动作用下的受力和变形机理。为跨正断层的隧道设计提供一定指导。

1 工程背景

青岛胶州湾第二海底隧道位于胶州湾跨海大桥和胶州湾隧道之间,是青岛第三条连接东岸中心城区和西海岸新区的跨海通道。工程主线全长17.48 km,其中隧道长14.37 km。主线隧道采用钻爆法和盾构法组合施工方案。隧址区整体处于断裂构造发育的华北断块区内。根据工程场地地质勘察报告和场地地震安全性评价报告,海域钻爆段隧道主要穿越沧口断裂。沧口断裂位于华北克拉通胶辽台隆的东部边缘,是牟平——即墨断裂带南部的一条重要断裂,具有压扭性正断层性质,断层走向NE,倾向NW,倾角约70°,预计最大位错量为0.49 m,对隧道工程影响巨大。

研究区域内隧道为典型马蹄形断面隧道,隧道高12.985 m,跨度16.093 m;采用复合式衬砌,初期支护为C25喷射混凝土,厚23 cm,二次衬砌采用C40钢筋混凝土,厚度55 cm。为减小断层错动对隧道衬砌结构的破坏,拟在活动断层影响范围内对衬砌结构进行分段处理,衬砌节段间设置柔性变形缝,使衬砌结构呈分段柔性连接,在变形缝处设置剪力杆和防水构造。工程方案如图1所示。

2 试验设计

2.1 试验装置

本试验装置为自研的大比尺穿越断层隧道结构破坏加载试验装置(图2),尺寸为3 m(长)×1.5 m(宽)×1.5 m(高),主要由箱体、千斤顶和转向定位装置三部分构成。装置分为固定盘(长2 m)和活动盘(长1 m)。通过转向定位装置,可以实现30°～90°范围内的断层倾角模拟;通过千斤顶升降,可以实现正、逆断层错动模拟。

图2 断层错动试验装置Fig.2 Fault misalignment test equipment

2.2 相似比例与相似材料

本次缩尺模型试验采用的几何相似比为CL=1∶40,容重相似比Cγ=1∶1.25,衬砌弹性模量相似比CE=1∶40为基础相似比,根据相似理论原理列出π项式,可以推导出各个相关的力学参数的相似比如下:隧道埋深相似比CH=1∶40,衬砌半径相似比Cr=1∶40,衬砌应力相似比Cσ=1∶40,衬砌应变相似比Cε=1∶1,具体物理指标及相似关系如表1所示。

表1 模型试验相似比Table 1 Model test similarity ratio

根据青岛第二海底隧道地质勘察报告测定的围岩物理力学参数,围岩相似材料采用粉煤灰、河砂、机油、硅藻土模拟;质量配合比为粉煤灰∶河砂∶机油∶硅藻土=0.405∶0.301∶0.102∶0.192,其中机油用以提供模型土的黏聚力。断层破碎带质量配合比为粉煤灰∶河砂∶机油∶木屑∶硅藻土=0.405∶0.301∶0.102∶0.08∶0.192。经力学测试,围岩及断层破碎带力学参数的原型值和模型值见表2。

表2 围岩和断层破碎带原型及模型物理力学参数Table 2 Prototype and model physical and mechanical parameters of the surrounding rock and fault fracture zones

原型中隧道衬砌采用复合式衬砌,初期支护采用C25喷射混凝土,二次衬砌采用C40钢筋混凝土。在衬砌模型中综合考虑初支和二衬的共同作用,取模型衬砌厚2.0 cm,跨度36 cm,高26 cm。同时,选用细钢丝网模拟衬砌配筋,钢丝直径0.8 mm,纵横向间距均为0.5 cm。相应的模型制作过程见图3。

图3 相似模型制作过程Fig.3 Similar modeling process

2.3 试验工况设置

为研究衬砌结构柔性连接对隧道抗活动断层错断的效果,以及变形缝的不同间距对抗错断效果影响,本次错断模型试验中,将节段接头分别设置为刚接与铰接,以模拟非柔性连接和设置变形缝进行柔性连接的情况,并将模型节段长度分为15 cm与30 cm,以模拟变形缝间距分别为6 m和12 m的情况,共进行3组相似试验,具体试验工况见表3。

表3 试验方案Table 3 Test program

节段无铰接工况下,节段长度15 cm,节段间采用销钉外加环氧树脂植筋胶粘接,使各节段刚性连接成一个完整隧道。铰接工况下节段间采用内嵌弹簧和弹性泡沫胶组合结构联合外敷0.5 cm橡塑海绵,制作完成后的隧道模型如图4所示。

图4 制作完成的隧道模型Fig.4 Completed models of the tunnel

2.4 量测系统

本次试验主要观测不同节段设置形式下的隧道在模拟正断层错动作用下衬砌受力和破坏特征,因此主要传感器为LVDT位移传感器,接触土压力盒和应变片。其中,位移计型号BSR50,有效量程±25 mm;土压力盒型号JTE BW11,有效量程0.01～20 MPa;应变片型号为BF120-3AA-P500。试验主要通过控制箱体位移模拟断层的错动,原型断层预计突发位错量为0.49 m,对应模型位错量为12.25 mm。试验过程中,将错动速度设置为0.01 mm/min,试验过程中每2 mm作为间隔,用LVDT位移传感器对错动过程中的隧道内部仰拱和拱顶的垂直位移进行监测。土压力盒主要布设在衬砌模型拱顶和仰拱外侧。可考察断层错动过程中围岩对隧道的接触土压力情况。基于标定试验,同时在确保应变采集仪及应变粘贴有效性的前提下,为测得隧洞关键断面的内外侧纵向应变,采用多通道应变箱进行应变的采集,并通过外接隧洞模型试样的方法进行温度补偿。监测方案见图5,传感器实拍见图6。

图5 测试元件布置Fig.5 Test device arrangement

图6 模型隧道传感器布置Fig.6 Model tunnel sensor arrangement

3 试验分析

3.1 衬砌受迫变形及竖向收敛位移

提取隧道在正断层错动作用下内部拱顶和仰拱的位移如图7所示。其中图7(a)和图7(b)分别为拱顶和仰拱竖向位移纵向分布曲线,零轴下方位移为负值表示下盘基本静止,上盘下降。可以看出,断层错动时,由于下盘静止,上盘运动,拱顶和仰拱的剧烈变化范围为断层两侧-15～50 cm且二者的变化规律基本一致。同时,工况3(即节段铰接,铰接长度15 cm)断层附近的位移变化大于工况2(即节段铰接,铰接长度30 cm)和工况1(即节段刚接),但位移值均小于断层错动量输入值。由此说明,断层在错动过程中,发生了一定程度的地层压缩。同时,节段间铰接对于地层的强迫变形适应性更好,且节段长度越短,适应性更好。

图7 隧道纵向位移分布曲线Fig.7 Tunnel longitudinal displacement distribution curve

通过拱顶和仰拱的竖向绝对位移值计算得到隧道竖向位移收敛值(规定隧道竖向压缩为负),如图8所示。由图8可以发现,竖向位移收敛值主要集中在断层面附近-15～20 cm范围,并迅速向两侧减小为0。而断层面附近的隧道竖向收敛值迅速增大,说明断层错动作用下,上下盘交接处对隧道的竖向挤压作用明显,拱顶和仰拱发生向内的收敛变形。同时,3种不同工况的竖向收敛位移变化规律基本一致,但工况1的竖向收敛位移最大,为2.5 mm,工况2和工况3相对于工况1的竖向收敛位移减小28%和60%。说明节段铰接相比于刚接更有利于隧道的变形,且刚度越小,节段长度越小,越有利于隧道在断层错动下的整体位移变化,断面的收敛变形越小。

图8 隧道竖向收敛位移曲线Fig.8 Tunnel vertical convergence displacement curve

3.2 衬砌纵向应变

提取衬砌拱顶和仰拱外侧在断层纵向的应变如图9所示,其中应变为正代表沿隧道纵向受拉,应变为负代表沿纵向受压。由图9(a)可知,拱顶纵向应变在纵向位置-30～0 cm范围剧烈波动,且为拉应变,说明该区域为隧道拱顶的纵向受拉区。且工况1～工况3的纵向最大拉应变均出现在0 cm(即断层面处),三者的纵向应变变化规律基本一致。但在断层错距12.5 mm作用下,工况1的最大纵向拉应变为165 με,工况2为112 με,工况3为99 με,而根据试验测得模型衬砌的极限抗拉应变为104 με,可见工况1和工况2已发生纵向受拉破坏。而在纵向位置10～30 cm范围内,3种工况的应变均为负值,说明该区域的拱顶纵向受压,最大压应变为46 με。反观仰拱部位,与拱顶处的纵向应变规律相反,在纵向位置-30～0 cm范围内,仰拱纵向受压,且3种工况的压应变相差不大,最大压应变为124 με。由此可见,隧道在正断层错动作用下,衬砌主要承受纵向的拉弯作用,且节段间刚度越小,节段长度越短,节段变形可吸收大部分来自于断层错动的能量,衬砌节段受力较小,结构较为安全。

图9 衬砌纵向应变分布曲线Fig.9 Lining longitudinal strain distribution curve

3.3 围岩接触压力

图10给出了隧道拱顶和仰拱与围岩的接触压力沿纵向位置变化的曲线,其中正值表示接触压力增大,负值表示接触压力减小。由图10可以看出,拱顶在纵向位置-30～0 cm范围内,与围岩的接触压力减小,即在下盘邻近断层面附近产生了一个拱顶围岩脱空区。而在纵向位置0～20 cm范围内,拱顶的围岩接触压力增大,且3种工况均在断层面处出现围岩压力峰值,分别为12,8 kPa和6 kPa。同时,仰拱在纵向位置-30～0 cm范围内,与围岩的接触压力逐渐增大,在断层面处达到峰值,分别为10,4 kPa和3 kPa。而在纵向位置0～20 cm范围内,仰拱与围岩的接触压力减小,最小值为4 kPa(工况1),可见仰拱在上盘邻近断层面处同样产生了一个脱空区。以上说明,隧道在断层错动作用下,主要承受纵向拉弯荷载,且在邻近断层面的下盘产生拱顶脱空区,在邻近断层面的上盘产生仰拱脱空区。同时,隧道节段长度和节段间刚度的改变并不会改变隧道在正断层错动下的受力规律,节段间刚度越小,节段长度越短,隧道承受的断层错动强制荷载就越小,结构越安全。

图10 衬砌围岩压力纵向分布曲线Fig.10 Longitudinal pressure distribution curve of lining surrounding rock

3.4 最终破坏形态

在加载到预定的12.5 mm位错后,为方便观察对比3种工况下的破坏情况,进行了破坏工况加载,最终位错量为80 mm,然后移除隧道上部土体,观察隧道的变形及破坏情况,如图11、图12所示。可以发现,工况1(即节段间刚接)在断层位错作用下,直接出现了节段剪切分离破坏,衬砌错台明显;工况2(即节段间铰接,节段长度30 cm)在错动作用下,断层面附近的衬砌出现剪切联合拉弯破坏,节段间错台和分离程度较工况1轻微;而工况3(即节段间铰接,节段长度15 cm)则很好地适应了地层的强制位错,节段间未发生明显的位错和分离现象。从开裂形态来看,3种工况下衬砌均以纵向开裂为主,主要发生在仰拱和拱顶部位,但工况1的裂缝分布较为复杂,还出现了斜向和环向裂缝,结构破坏最为严重。由此说明,节段间的连接形式不会改变隧道在正断层错动作用下的受力形态,但设置柔性连接且节段长度越短,衬砌节段的破坏越轻微,结构越安全。

图11 最终变形破坏的模型隧道Fig.11 Realistic shots of the final deformed and damaged model tunnel

图12 模型隧道衬砌裂缝Fig.12 Modeling tunnel lining cracks

图13和图14为根据上述分析绘制的隧道纵向变形和力学机理示意(图中Fli仅用作表示隧道受到围岩的强制作用),隧道在正断层错动作用下,下盘静止,上盘下降,地表相对下沉,隧道在断层两侧-50～50 cm范围内出现受迫变形区,同时在下盘邻近断层面附近拱顶上方出现脱空区,在上盘邻近断层面附近仰拱下方出现脱空区,与前人的研究结果一致[18-20]。隧道受迫变形区主要承受纵向拉弯和竖向挤压作用,减小节段间刚度和节段长度,会使得隧道受迫变形区的荷载降低,结构趋于安全。